CN108960533A - 一种空中航路网优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种空中航路网优化方法,包括步骤:初始化航班量矩阵,输入空域结合信息;确定交叉航段数量,记为n;计算理想航段方程和交叉点位置,并判断是否有三区约束;当无三区约束时,根据无约束模型计算合力,当有三区约束时,根据有约束模型计算合力;计算受合力时的航路交叉点坐标;根据原空域拓扑结构连接优化后的航路节点。其中进行步骤5时,首先确定航路交叉点的优先级,按高优先级至低优先级的顺序计算优化后的交叉点坐标,计算时若交叉点未与上一优先级的交叉点直接相连,则使用单点优化方法计算交叉点坐标,否则利用优化机制控制多点优化过程。本方法实现空中航路网结构的设计与优化,有利于提升空域资源使用效率。
Description
技术领域
本发明涉及空中交通管理领域,尤其是一种空中航路网优化方法。
背景技术
近年来,民航运输业迅速发展,飞机数量和飞行架次逐年增长,对航路网络资源的需求也越来越大。航路网络作为民用航空器实际运行的路网,其结构的优劣直接影响民航运输的安全性、效率和经济性等指标。航路网络是由固定节点(机场和航路边界点)、航路航线和航路交叉点组成,其中航路交叉空域是飞行拥堵、航班延误、安全事故易发区域,也是空中交通航路网中的运行瓶颈之一,其结构优劣直接影响空中交通流运行安全和效率。研究航路网基本相交结构的要素特性,揭示交通流运行参量与航路结构要素间的相互演变关系,可为空域精细化管理理论、空中交通运行瓶颈拥挤识别与预测等提供一定的科学依据。而航路交叉点的优化,也是优化空中航路网的关键部分。
目前也存在一些航路网络优化方面的方法,大致可分为两类:一类是基于航路汇聚点、交叉点位置布局的优化,进而实现航路网络的优化;另一类是以将航路网络视为复杂网络的一种,采用复杂网络模型对空中航路网进行优化。
发明内容
考虑到现有空中航路网结构优化的研究现状,尚缺少一种实用性强、考虑航班量因素、对不同空域拓扑结构优化适用性强的空中航路网络结构优化方法,本发明提出一种空中航路网优化方法,采用的技术方案如下:
一种空中航路网优化方法,包括步骤:
步骤1.初始化航班量矩阵,输入空域结合信息;
步骤2.确定交叉航段数量;
步骤3.计算理想航段方程和交叉点位置,并判断是否有三区约束;
步骤4.当无三区约束时,根据无约束模型计算合力,当有三区约束时,根据有约束模型计算合力;
步骤5.计算受合力时的航路交叉点坐标;
步骤6.根据原空域拓扑结构连接优化后的航路节点,
其中进行步骤5时,首先确定航路交叉点的优先级,按高优先级至低优先级的顺序计算优化后的交叉点坐标,计算时若交叉点未与上一优先级的交叉点直接相连,则使用单点优化方法计算交叉点坐标,否则利用优化机制控制多点优化过程。
进一步的,所述单点优化方法计算交叉点坐标的方法为:计算交叉点受到合力后的坐标(xt+1,yt+1),与前一时刻的坐标(xt,yt)比较后得到Δxt,Δyt,若Δxt<ε且Δyt<ε,则将(xt+1,yt+1)作为交叉点的坐标。
进一步的,所述优化机制的具体过程为:
步骤1.判断两交叉点之间的距离是否大于设定的阈值,否,则进入步骤2;
步骤2.使用单点优化方法计算交叉点坐标;
步骤3.判断使用新坐标后航路网优化指标是否提升,如提升则接受步骤2中计算处的交叉点坐标,
其中的航路网优化指标包括航路网总运行成本、航路网非直线系数、飞行冲突次数、管制员工作负荷、空域复杂性。
进一步的,计算交叉点受到合力后的坐标的公式为:
其中θx为合力与x轴的夹角,公式为:
ω3为合力的方向系数,L为位移的步长,F合xt为交叉点所受合力在x轴方向上的分量,F合yt为交叉点所受合力在y轴方向上的分量。
进一步的,ω3的确定方法为:
进一步的,交叉点的合力计算公式为:
当有三区约束则交叉点的合力计算公式为:
若无三区约束则交叉点的合力计算公式为:
其中F斥1合为相邻航路点对交叉点的斥力,F斥2合为三区对交叉点的斥力。
进一步的,计算优先级时采用的公式为:
式中,a,b为权重系数,fij为航段交通量,pu为路段等级,路段等级越高,该值越大。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
1、本发明提出的空中航路网优化方法基于电势场理论,将航段交通量纳为计算因素,使得优化后航路网中交通量越大航路拓扑结构越优,实现了空域资源供给侧效率的提升。而航班运行线路在一个航班周期内基本一致,因此,航路结构的优化,对于航空器日复一日的运行,具有巨大的改善作用,其对于改善空域拥挤、航班延误和油耗污染等问题具有重要作用。
2、本发明提出的方法便于计算机执行,为空管自动化设备与系统提供了理论依据。
3、基于电势场理论的空中航路网优化方法,将航路网抽象为二维拓扑结构,其中的边、点等要素同样可以表示道路交通和铁路交通等,为其他路网结构优化问题提供新的思路。
附图说明
图1是航空网络优化方法流程图;
图2实施例中使用的一种航路拓扑结构图;
图3是优化机制示意图;
图4是包括3个节点的空域拓扑结构实验效果图;
图5是包括4个节点的空域拓扑结构实验效果图;
图6是包括4个节点且含有三区的空域拓扑结构实验效果图;
图7是包括6个节点且含有三区的空域拓扑结构实验效果图。
具体实施方式
如图1所示,本发明提出的航空网络优化方法包括步骤:
步骤1.初始化航班量矩阵,输入空域结合信息;
步骤2.确定交叉航段数量,记为n;
步骤3.计算理想航段方程和交叉点位置,并判断是否有三区约束;
步骤4.当无三区约束时,根据无约束模型计算合力,当有三区约束时,根据有约束模型计算合力;
步骤5.计算受合力时的航路交叉点坐标;
步骤6.根据原空域拓扑结构连接优化后的航路节点。
其中步骤1具体包括采集航路段长度,交通量数据,空域中限制区、危险区和禁区的经纬度。采集到三区的经纬度后,利用墨卡托投影将经纬度坐标转化到笛卡尔坐标系中。
步骤4中当有三区约束时,计算合力的具体过程为:
根据已知航路节点坐标计算理想航路段,采用的方程为:
(yn-ym)x-(xn-xm)y-xm(yn-ym)+ym(xn-xm)=0
t0时刻交叉点(xt0,yt0)到航路中心线距离为:
式中,γ1为交叉点到航路的距离,(xt0,yt0)为0时刻交叉点的理想坐标,
A=(yn-ym),B=(xn-xm),C=-xm(yn-ym)+ym(xn-xm)。
根据电势场中电荷受力模型计算引力大小,其中引力场强表示为:
式中,Bij为航路周围势场强度,为航路中交通量,S为航路横截面积。
则引力大小计算可表示为:
式中,为t时刻交叉点收到航路势场的引力,k1为引力增益常数,q0为交叉点电荷量,ΔL为航路宽度。
已知t时刻交叉点位置坐标(xt,yt)可计算出航段直线和x轴正方向的夹角,采用的公式为:
则第i条航路对交叉点的引力在x,y方向上的分力为:
式中,ω1为引力方向系数。
各航路t时刻在交叉点处x,y方向上的引力之和为:
交叉点受到引力的同时,还受到斥力的作用,斥力包括相邻航路点对交叉点的斥力和三区对交叉点的斥力。首先计算相邻航路点对交叉点的斥力,交叉点到相邻节点的距离表示为:
t时刻交叉点受到相邻节点的斥力为:
式中,k2为节点斥力的增益常数,γ0为相邻节点对交叉点产生影响的临界距离(70km)。
航路节点与交叉点连线与x轴的夹角计算公式为:
该斥力在x,y轴方向上的分力为:
各斥力给予交叉点的斥力合力为:
三区斥力的计算模型为:
式中k3为三区斥力的增益常数,γ3为交叉点距离三区的最短欧式距离。三区与交叉点连线与x轴的夹角计算公式为:
该斥力在x,y轴方向上的分力为:
各斥力给予交叉点的斥力合力为:
综上可得交叉点的合力计算公式为:
若无三区约束则交叉点的合力计算公式为:
根据合力可以进行位移位置计算,采用的公式为:
其中θx为合力与x轴的夹角,公式为:
ω3为合力的方向系数,确定方法为:
L为位移的步长。
步骤5的具体过程为:
首先计算航路中节点的重要性,采用的公式如下:
式中,a,b为权重系数,fij为航段交通量,pu为路段等级,路段等级越高,该值越大。如图2所示假设交叉点1、2、3的优先级依次降低,则优化顺序为:
(1)采用单点优化方法优化交叉点1;
(2)交叉点2的拓扑结构与交叉点1未直接相连,采用单点优化方法优化交叉点2;
(3)交叉点3与交叉点2和1都相连,此时需评估点3优化后对点1和点2的影响,因此采用优化机制控制多点优化过程。
其中单点优化的方法为计算交叉点受到合力后的坐标(xt+1,yt+1),与前一时刻的坐标(xt,yt)比较后得到Δxt,Δyt,若Δxt<ε且Δyt<ε,则将(xt+1,yt+1)作为交叉点的坐标。
优化机制的伪代码如下:
其中的航路网优化指标包括航路网总运行成本、航路网非直线系数、飞行冲突次数、管制员工作负荷、空域复杂性。
图4至图7为实验效果图,其中的优化指标如下:
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已,并不用以限制本发明创造,凡在本发明创造的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明创造的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种空中航路网优化方法,其特征在于,包括步骤:
步骤1.初始化航班量矩阵,输入空域结合信息;
步骤2.确定交叉航段数量;
步骤3.计算理想航段方程和交叉点位置,并判断是否有三区约束;
步骤4.当无三区约束时,根据无约束模型计算合力,当有三区约束时,根据有约束模型计算合力;
步骤5.计算受合力时的航路交叉点坐标;
步骤6.根据原空域拓扑结构连接优化后的航路节点,
其中进行步骤5时,首先确定航路交叉点的优先级,按高优先级至低优先级的顺序计算优化后的交叉点坐标,计算时若交叉点未与上一优先级的交叉点直接相连,则使用单点优化方法计算交叉点坐标,否则利用优化机制控制多点优化过程。
2.如权利要求1所述一种空中航路网优化方法,其特征在于,所述单点优化方法计算交叉点坐标的方法为:计算交叉点受到合力后的坐标(xt+1,yt+1),与前一时刻的坐标(xt,yt)比较后得到Δxt,Δyt,若Δxt<ε且Δyt<ε,则将(xt+1,yt+1)作为交叉点的坐标。
3.如权利要求2所述一种空中航路网优化方法,其特征在于,所述优化机制的具体过程为:
步骤1.判断两交叉点之间的距离是否大于设定的阈值,否,则进入步骤2;
步骤2.使用单点优化方法计算交叉点坐标;
步骤3.判断使用新坐标后航路网优化指标是否提升,如提升则接受步骤2中计算处的交叉点坐标,
其中的航路网优化指标包括航路网总运行成本、航路网非直线系数、飞行冲突次数、管制员工作负荷、空域复杂性。
4.如权利要求1所述一种空中航路网优化方法,其特征在于,计算交叉点受到合力后的坐标的公式为:
其中θx为合力与x轴的夹角,公式为:
ω3为合力的方向系数,L为位移的步长,F合xt为交叉点所受合力在x轴方向上的分量,F合yt为交叉点所受合力在y轴方向上的分量。
5.如权利要求4所述一种空中航路网优化方法,其特征在于,ω3的确定方法为:
6.如权利要求5所述一种空中航路网优化方法,其特征在于,交叉点的合力计算公式为:
当有三区约束则交叉点的合力计算公式为:
若无三区约束则交叉点的合力计算公式为:
其中F斥1合为相邻航路点对交叉点的斥力,F斥2合为三区对交叉点的斥力。
7.如权利要求1所述一种空中航路网优化方法,其特征在于,计算优先级时采用的公式为:
式中,a,b为权重系数,fij为航段交通量,pu为路段等级,路段等级越高,该值越大。
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